| Desempenho
térmico/comparativo
Desempenho térmico
de coberturas
INTRODUÇÃO
Poucos edifícios industriais no Brasil não
apresentam temperaturas internas elevadas, particularmente
nos meses de verão. Climas predominantemente quentes
e úmidos e com o sol presente de forma intensa na maior
parte do ano, exigem um tratamento cuidadoso por parte dos
arquitetos e engenheiros no que se refere à ventilação
e à seleção dos materiais de revestimento
do edifício.
Embora o Homem possa se adaptar às condições
ambientais inadequadas, isto é feito de forma limitada
e por períodos reduzidos de tempo. Esta adaptação
sempre se dará ao custo da capacidade de trabalho -
físico ou intelectual. Assim, a "adaptação"
ao calor excessivo irá sempre significar uma perda
de produtividade e de concentração. Muitos acidentes
de trabalho estão ligados às condições
inadequadas de conforto térmico.
Uma forma de se resolver o problema é através
do emprego de sistemas de ventilação, naturais
ou forçados ou, mais raramente em indústrias,
do ar condicionado. Estes sistemas irão remover o calor
interno, sendo seu uso fundamental nos casos onde estufas,
caldeiras, fornos, motores e materiais aquecidos estejam presentes
no ambiente.
Se nem todo edifício industrial possui fontes internas
de calor, por outro lado nenhum escapa do aquecimento dos
raios solares e é aí que a escolha criteriosa
dos materiais a serem empregados na cobertura pode reduzir
em muito os problemas de aquecimento interno. Mesmo que um
sistema de condicionamento de ar venha a ser necessário,
seu porte, custo de instalação, custo de manutenção
e consumo de energia serão bem menores.
Pretendemos portanto fornecer algumas informações
que julgamos úteis aos profissionais envolvidos com
a especificação de materiais de revestimento
de edifícios industriais. Para isto, faremos uma comparação
do desempenho térmico dos principais materiais empregados
nas coberturas de indústrias, evitando aprofundar os
aspectos teóricos do assunto, de forma a não
termos um texto excessivamente enfadonho.
ALGUMAS CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES
As análises feitas neste estudo comparativo baseiam-se
em dados obtidos em catálogos de fabricantes ou em
literatura especializada. São, portanto, valores médios,
que certamente irão apresentar algumas variações
se outras fontes de informação forem consultadas,
já que a qualidade dos materiais e suas características
podem variar, assim como a forma pela qual estas características
foram levantadas.
A comparação considera exclusivamente o caso
de coberturas, por serem normalmente estas superfícies
as maiores e as mais expostas ao sol. Para o caso de fachadas,
alguns dos valores apresentados pelos materiais sofrerão
alterações, no entanto, permanecem em grande
parte válidas as conclusões finais.
Por fim, as unidades aqui empregadas são as do Sistema
Internacional, exceto onde o uso de outra unidade favorecer
um melhor entendimento. O fluxo de calor será expresso
em Watts, lembrando que 1 Watt = 1 Joule/segundo = 0,86 quilocalorias/hora.
Condutibilidade Térmica
Provavelmente o dado mais familiar a respeito do comportamento
térmico de um material seja a sua condutibilidade
térmica. O coeficiente de condutibilidade térmica
k fornece o fluxo de calor que passa em 1 m2
de superfície do material, quando este possui uma
espessura de 1 m e é submetido a uma diferença
de temperatura de 1 grau entre as suas faces.
Assim, se uma hipotética parede de concreto tivesse
1 metro de espessura e a sua face externa estivesse a
20 oC e a sua face interna a 21 oC,
o fluxo de calor que atravessaria cada m2 da
sua superfície seria igual a 1,75 W (ou 1,75 J/s).
Portanto o k do concreto é 1,75 W.m/m2/oC
ou mais comumente 1,75 W/m/oC , fazendo-se
o ajuste das unidades métricas. Diferentes materiais
possuem diferentes coeficientes de condutibilidade térmica.
A Tabela 1 apresenta os valores médios para os
materiais mais comumente empregados em coberturas de edifícios
industriais:
Tabela 1 – Coeficientes
de Condutibilidade Térmica
| MATERIAL |
CONDUTIBILIDADE
TÉRMICA k (W/m/ºC) |
| Cimento Amianto |
0,65 |
| Concreto |
1,75 |
| Aço
Zincado |
52,00 |
| Alumínio |
240,00 |
| Espuma Rígida
de Poliuretana |
0,025 |
| Lã de Rocha/Vidro |
0,045 |
Como é possível perceber pelos dados anteriores,
os materiais metálicos como o aço zincado
e o alumínio, são excelentes condutores
de calor já que possuem valores de k elevados.
Porém, comparar alternativas unicamente em função
dos coeficientes de condutibilidade térmica é
uma simplificação que certamente induzirá
a erros de especificação. Como veremos adiante,
outros fatores devem ser considerados e com resultados
surpreendentes.
O segundo bloco de materiais corresponde aos isolantes
térmicos, com baixos coeficientes de condutibilidade.
Os isolantes oferecem uma grande resistência à
passagem do calor, sendo usados em coberturas, equipamentos
industriais ou nas geladeiras domésticas por exemplo.
Condutância Térmica
Nenhum dos materiais da Tabela 1 é empregado com
1 metro de espessura, portanto a condutibilidade k deve
ser dividida pela espessura com a qual o material for
utilizado. O valor resultante será a condutância
térmica parcial Kp, expressa em W/m2/oC.
A Tabela 2 fornece as condutâncias parciais Kp para
as espessuras mais usuais dos materiais de cobertura da
Tabela 1, inclusive com isolamento térmico para
as telhas metálicas.
Tabela 2 – Condutância
Térmica Parcial
| COBERTURA
|
ESPESSURAS
(mm) |
CONDUTÂNCIA
PARCIAL Kp (W/m2/ºC) |
| Cimento Amianto |
8,00 |
81,00 |
| Concreto Pré-moldado |
50,00 |
35,00 |
| Alumínio |
0,80 |
300.000,00 |
| Aço Zincado |
0,50 |
104.000,00 |
| Alumínio +
Espuma de Poliuretana |
0,80
+ 30 |
0,83 |
| Aço Zincado
+ Esp. de Poliuretana |
0,50
+ 30 |
0,83 |
| Aço Zincado
+ Esp. de Poliuretana |
0,50
+ 50 |
0,50 |
| Aço Zincado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50
+ 40 |
0,94 |
| Aço Zincado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50
+ 50 |
0,78 |
Da Tabela 2 é possível verificar que as telhas
metálicas são, mais uma vez, as maiores transmissoras
de calor, o que já era de se esperar. Elas possuem os
maiores valores de condutibilidade térmica e são
fabricadas em pequenas espessuras (inferiores a um milímetro),
fato possível graças à grande resistência
mecânica dos metais. A importância do isolamento
fica demonstrada pela queda apreciável das condutâncias
parciais, quando comparamos as telhas simples com as telhas
isoladas. Estas são conhecidas como "telhas sanduíche",
pois compreendem um isolante térmico entre duas telhas
metálicas. No caso das telhas sanduíche com mantas
ou painéis de lã de vidro ou lã de rocha,
deve ser considerado também o espaço de ar que
fica confinado entre as ondas das telhas e o isolante já
que este permanece estendido, ou seja, não acompanha
as ondulações das telhas. Um espaçador
é utilizado para garantir que haja uma distância
entre as telhas, igual ou ligeiramente menor que a espessura
do isolamento. A comparação entre os materiais
ainda não estará completa se não considerarmos
as influências do ambiente e as características
superficiais dos materiais em análise.
Condutância Térmica Global
Ao levarmos estes materiais para a cobertura, eles estarão
sujeitos a mais duas modalidades de trocas térmicas:
trocas térmicas por convecção e trocas
térmicas por radiação. As trocas por
convecção ocorrem sempre que uma superfície
esteja em contato com um fluido, no caso em questão
o ar ambiente. A cobertura poderá ganhar ou perder
calor pelo contato com o ar, se este estiver a uma temperatura
maior ou menor do que a da telha. Da mesma forma, os materiais
emitem radiação térmica para o ambiente
ou dele recebem calor também por radiação.
Os mecanismos térmicos aqui envolvidos são bastante
complexos e podem variar com a posição da superfície,
sua rugosidade, com a velocidade e temperatura do ar, sua
viscosidade, com a temperatura da superfície e a do
ambiente e com a capacidade que cada superfície têm
para irradiar calor. Considerando todas estas variáveis,
chega-se finalmente à Condutância Térmica
Global K (em W/m2/ oC). A condutância
global é o valor que deve ser considerado para os cálculos
de desempenho térmico de uma cobertura. No valor de
K já estão computadas, portanto, a condutibilidade
térmica, a espessura, as trocas por radiação
e por convecção, dentro das situações
encontradas normalmente pelos materiais de cobertura.
Tabela 3 – Condutância
Térmica Global
| COBERTURA
|
ESP.
(mm) |
CONDUT.
GLOBAL (W/m2/ oC) |
| Cimento Amianto |
8,00 |
5,59 |
| Concreto Pré-moldado |
50,00 |
5,28 |
| Alumínio |
0,70 |
3,96 |
| Aço Zincado |
0,50 |
3,96 |
| Aço Pré-pintado
branco |
0,50 |
5,87 |
| Alumínio + Espuma
de Poliuretana |
0,70+30 |
0,69 |
| Aço Zincado
+ Esp. de Poliuretana |
0,50+30 |
0,69 |
| Aço Zincado
+ Esp. de Poliuretana |
0,50+50 |
0,44 |
| Aço Zincado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50+40 |
0,69 |
| Aço Pré-pintado
+ Esp. Poliuretana |
0,50+30 |
0,73 |
| Aço Pré-pintado
+ Esp. Poliuretana |
0,50+50 |
0,46 |
| Aço Pré-pintado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50+40 |
0,81 |
| Aço Pré-pintado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50+50 |
0,69 |
A importância de se considerar o coeficiente global fica
demonstrada pela Tabela 3. A influência da convecção
e da radiação, sempre presentes em qualquer superfície
exposta ao ambiente, faz com que haja um achatamento nos valores
das condutâncias parciais anteriormente calculadas na
Tabela 2. As coberturas metálicas simples (sem isolamento),
apresentam uma capacidade de transmitir calor similar a de materiais
menos condutores e bem mais espessos. À Tabela 3 foram
acrescentados os valores de K para telhas de aço zincado
e pré-pintado na cor branca, pois a pintura altera as
características superficiais do material e consequentemente
o comportamento da cobertura quanto à parcela das trocas
térmicas por radiação.
RADIAÇÃO SOLAR
Ao meio-dia no verão, a quantidade de
calor incidente sobre uma cobertura horizontal pode chegar
a 1200 W/m2, energia equivalente a 20 lâmpadas
de 60 W acesas em cada metro quadrado de cobertura. Esta energia
é em maior ou menor grau absorvida pela telha, em função
do seu coeficiente de absorção à radiação
solar. A absorção é uma característica
superficial do material e varia com a sua cor e brilho. Quanto
mais escura for a superfície, mais radiação
solar será absorvida e transmitida para o interior
do edifício. Cores claras na cobertura são portanto
recomendáveis.
Os coeficientes de absorção à radiação
solar apresentados na Tabela 4 são indicativos e representam
valores médios da absorção de cada material:
Tabela 4 – Coeficientes
de Absorção à Radiação
Solar
| MATERIAL |
COEF.
DE ABSORÇÃO À RADIAÇÃO
SOLAR |
| Cimento Amianto |
0,80 |
| Concreto Pré-moldado |
0,75 |
| Alumínio |
0,50 |
| Aço Zincado |
0,60 |
| Aço Pré-pintado
na cor branca |
0,25 |
Uma cobertura com cimento amianto por exemplo, absorverá
80% da radiação solar incidente sobre ela ou 960
W/m2 em um dia de céu claro, no verão,
ao meio-dia; uma telha pré-pintada na cor branca absorverá
25% ou 300 W/m2. O calor absorvido será em
parte transmitido para o interior do edifício através
da condutância K, desta forma é interessante que
tanto o coeficiente de absorção à radiação
solar quanto à condutância global K, sejam os menores
possíveis.
FLUXO DE CALOR, UM EXEMPLO
Para se analisar o comportamento dos materiais, vamos admitir
uma situação simples, teórica, que permita
uma comparação de fácil entendimento: Um
edifício no qual fossem empregados na cobertura os materiais
até aqui mencionados; As fachadas seriam compostas de
material tão isolante que através delas não
haveria trocas térmicas (ganhos ou perdas de calor).
O propósito é o de analisar apenas o desempenho
das diferentes coberturas; A radiação solar incidente
fosse de 1.200 W/m2; A temperatura do ar externo
seja de 25 oC e que a interna seja de 20 oC,
mantida uniforme pelo uso de um aparelho de ar condicionado.
Nestas circunstâncias o fluxo de calor que atravessaria
cada metro quadrado de cobertura é dado pela Tabela 5.
O hipotético aparelho de ar condicionado, teria a sua
capacidade, consumo de energia e custo definidos por esses fluxos
de calor. Quanto maior a passagem de calor pela cobertura maior
será o sistema de condicionamento de ar ou na ausência
deste, o aumento da temperatura interna e o desconforto dos
ocupantes.
Tabela 5 – Fluxos de Calor
|
COBERTURA |
ESP.
(mm) |
FLUXO
(W/m2) |
|
1. Cimento Amianto |
8,00 |
256 |
|
2. Concreto Pré-moldado |
50,00 |
182 |
|
3.Alumínio |
0,70 |
140 |
|
4. Aço Zincado |
0,50 |
176 |
|
5. Aço Pré-pintado
branco |
0,50 |
113 |
|
6. Alumínio + Esp.
de Poliuretana |
0,70+30 |
27 |
|
7. Aço Zincado +
Esp. de Poliuretana |
0,50+30 |
27 |
|
8. Aço Zincado +
Esp. de Poliuretana |
0,50+50 |
14 |
|
9.Aço Zincado +
Lã de Rocha/Vidro |
0,50+40 |
27 |
|
10. Aço Pré-pintado
+ Esp. Poliuretana |
0,50+30 |
16 |
|
11. Aço Pré-pintado
+ Esp. Poliuretana |
0,50+50 |
14 |
|
12. Aço Pré-pintado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50+40 |
16 |
|
13. Aço Pré-pintado
+ Lã de Rocha/Vidro |
0,50+50 |
13 |
CONCLUSÕES
O coeficiente de condutibilidade térmica k, embora
importante em uma análise de conforto térmico,
proporciona uma visão apenas parcial do problema. A
capacidade de absorver calor solar e os fatores referentes
às trocas térmicas por radiação
e convecção devem ser considerados.
Em uns poucos casos o isolamento térmico não
é recomendado ou o seu uso é ineficiente:
Ambientes com grande geração de calor interno,
não devem, a principio, receber coberturas isoladas.
Nestes casos o calor interno pode ser superior ao aquecimento
da cobertura por radiação solar.
Quando houver material translúcido na cobertura, tais
como telhas de fiberglass ou policarbonato, deve-se fazer
um cálculo dos ganhos de calor com e sem isolamento
térmico na cobertura. Dependendo da área de
material translúcido empregado, a passagem de calor
através desta pode anular os benefícios do isolamento.
Recomenda-se neste caso a redução da iluminação
zenital ou o deslocamento de parte da sua área para
as fachadas.
A opinião de um técnico especializado pode ser
útil e certamente irá resultar em um projeto final
mais adequado aos usuários e mais econômico para
o proprietário. Ele poderá inclusive avaliar logo
no início se a melhor solução não
passa por sistemas de ventilação naturais ou forçados.
Departamento Técnico
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